嫦娥四號著陸月背 為何比嫦娥三號多飛了半個月？

“嫦娥四號”發(fā)回世界首張月背近景圖

以“盲降”方式11分鐘著陸月背；將擇機分離著陸器與巡視器，屆時人類將首次獲取月背地質(zhì)信息

昨天上午10時26分，嫦娥四號探測器成功在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)馮·卡門撞擊坑著陸，并通過“鵲橋號”中繼星傳回了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖。

嫦娥四號于2018年12月8日乘坐長征三號乙運載火箭離開地球，經(jīng)歷了27天太空之旅，并在太空中度過了新年。

嫦娥四號開創(chuàng)了人類探測器在月球背面著陸的歷史。布滿撞擊坑和奧秘的月球背面，迎來首個“地球行者”。此次任務(wù)實現(xiàn)了人類探測器首次月背軟著陸、首次月背與地球的中繼通信。等到巡視器(月球車)駛下著陸器，在月面進行巡視探測，人類將第一次獲取有關(guān)月球背面地質(zhì)等領(lǐng)域的一手信息。

美國航空航天局局長(NASA)吉姆·布里登斯廷昨天在社交媒體向中國嫦娥四號團隊表示祝賀，稱這次人類首次月背軟著陸為“令人印象深刻的成就”。

記者從國家航天局獲悉，嫦娥四號將通過“鵲橋號”中繼星的通信鏈路，在地面控制下，開展設(shè)備工作模式調(diào)整等工作，擇機實施著陸器與巡視器分離。

嫦娥四號探測器月球背面軟著陸后降落相機拍攝的圖像。國家航天局供圖

歷程

自主避障選址 11分鐘著陸

昨天，嫦娥四號著陸過程歷時約11分鐘。

10時15分，科技人員在北京航天飛行控制中心發(fā)出指令，嫦娥四號探測器從距離月面15公里處開始實施動力下降，7500N變推力發(fā)動機開機，逐步將探測器的速度從相對月球1.7公里每秒降到零。

在距離月面6-8公里處，探測器快速調(diào)整姿態(tài)。到達距月面100米處，為了保證落地時每只腳都不踩到石頭上或坑里，嫦娥四號稍稍懸停，對障礙物和坡度進行識別和自主避障，找好理想著陸點，然后緩速垂直下降。

約690秒后，嫦娥四號自主著陸在月球南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)。落月過程中，降落相機拍攝了多張著陸區(qū)域影像圖。

據(jù)中國航天科技集團有限公司五院502所嫦娥四號GNC系統(tǒng)研制人員介紹，嫦娥四號最后采取垂直下降。這個垂直下降動作，就是與嫦娥三號落月最大的不同，因為著陸區(qū)太崎嶇，如果水平方向持續(xù)移動，就會讓著陸器不能準確測量所處的高度。

落月后，在地面控制下，通過“鵲橋號”中繼星的通信鏈路，嫦娥四號進行了太陽翼和定向天線展開等多項工作，建立了定向天線高碼速率鏈路。11時40分，著陸器監(jiān)視C相機獲取了世界第一張近距離拍攝的月背影像圖并傳回地面，圖中展示了巡視器即將駛離著陸器、駛向月背的方向。

整個過程中，地面人員都通過“鵲橋號”中繼星觀看了“直播”。

揭秘

月背“盲降” 步步驚心

相較于2013年落月的嫦娥三號，嫦娥四號落月難度更大，主要因為月球背面這一特殊環(huán)境。

中國工程院院士、中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁曾形容，嫦娥三號相當于在華北平原著陸，而嫦娥四號則是在崇山峻嶺的云貴川地區(qū)著陸。嫦娥三號月球正面著陸區(qū)地形起伏僅800米，而嫦娥四號著陸區(qū)起伏達到6000米。

而同樣困難的是，落月過程地球方向不直接可見，所有信息傳輸都需要由中繼星“鵲橋號”中轉(zhuǎn)，無疑增加了風險。因為落月過程由GNC系統(tǒng)自主操控，加之回傳畫面延遲，所以對地面人員來說，整個過程近乎“盲降”。

研制人員也考慮了“盲降”的風險，尤其是如果下降過程中，“鵲橋號”的信息傳輸“卡住”，影響數(shù)據(jù)上傳，怎么辦？

為此，GNC系統(tǒng)設(shè)計了延時數(shù)據(jù)注入功能，就是提前把要發(fā)送給著陸器計算機的數(shù)據(jù)發(fā)送到著陸器上暫存，這個數(shù)據(jù)包是帶有時間標簽的，待到著陸器上的時間和該標簽相同時，數(shù)據(jù)便自動注入。如此，“鵲橋號”就成為了備份手段。

系統(tǒng)還可以全程自主進行故障診斷與重構(gòu)，萬一發(fā)生故障，探測器可以隨時給自己“診斷”，找到病灶并解決。通過各部分功能的優(yōu)化、再組合，著陸器可以確保機體整體功能正常。

為了化解著陸瞬間的巨大沖擊力，設(shè)計和制造人員為嫦娥四號精心設(shè)計了特殊的“著陸緩沖機構(gòu)”，即主腿和副腿配合的結(jié)構(gòu)。著陸器的每條著陸腿都包含一個主腿和兩個副腿，各有分工。在著陸前，副腿推著主腿向外側(cè)展開到規(guī)定角度并鎖定，主腿負責在著陸時支撐住著陸器，將沖擊力傳遞、吸收，是著陸器主要的支撐結(jié)構(gòu)。副腿也會輔助主腿緩沖巨大的沖擊力，使落月更穩(wěn)定、安全。

■ 釋疑

1 嫦娥四號的著陸點選在哪？

嫦娥四號原本為嫦娥三號的備份，嫦娥三號任務(wù)完成后，嫦娥四號被賦予了向月球背面進發(fā)的新使命。

月球背面山峰林立，馮·卡門撞擊坑的南部地勢在月背已經(jīng)較為平坦，從北往南著陸航跡的高程起伏較小，因此被選定為嫦娥四號著陸和探測區(qū)域。

中國工程院院士、中國探月工程總設(shè)計師吳偉仁等曾撰文指出，馮·卡門撞擊坑具有較高的科學探測價值，坑內(nèi)的釷、氧化鐵、二氧化鈦等含量均較高，同時物質(zhì)組成的異?？臻g分布可能提供火山活動以及月殼活動線索，有利于開展月殼活動研究，并對月幔玄武巖起源研究有重要意義。

2 為何比嫦娥三號多飛半月？

嫦娥三號于2013年12月2日發(fā)射，14日成功著陸，歷時12天。而嫦娥四號從去年12月8日發(fā)射到1月3日著陸，歷時27天。為何嫦娥四號比三號多飛了整整半個月？

嫦娥四號去年12月8日搭乘火箭發(fā)射，12月12日進入環(huán)月軌道，12月30日進入月球背面著陸準備軌道。12月12日后，嫦娥四號進行了2次環(huán)月軌道修正，與“鵲橋號”中繼星進行了4次中繼鏈路測試，開展激光測距、三維成像等導航敏感器在軌測試。

航天科技集團五院嫦娥四號著陸器總體副主任設(shè)計師許應(yīng)喬介紹，嫦娥四號與三號在地月轉(zhuǎn)移軌道運行時間相當，但是環(huán)月段時間更長，長達20多天。原因一是進行月球背面下降的軌道調(diào)整，二是進行中繼星的測試，從而更精確地降落。

3 嫦娥四號著陸后要做什么？

為完成科學探測任務(wù)，“嫦娥四號”把8臺有效載荷和1臺科普載荷帶到了馮·卡門撞擊坑。著陸器上安裝了地形地貌相機、降落相機、低頻射電頻譜儀、與德國合作的月表中子及輻射劑量探測儀等4臺載荷；巡視器上安裝了全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀和與瑞典合作的中性原子探測儀。著陸器還搭載了月表生物科普試驗載荷。

這些儀器將在月球背面開展低頻射電天文觀測與研究，巡視區(qū)形貌、礦物組分及月表淺層結(jié)構(gòu)研究，并試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環(huán)境研究。

科學家認為，馮·卡門撞擊坑的物質(zhì)成分和地質(zhì)年代具有代表性，對研究月球和太陽系的早期歷史具有重要價值。月球背面也是一片難得的寧靜之地，屏蔽了來自地球的無線電信號干擾，在此開展低頻射電天文觀測可填補射電天文領(lǐng)域在低頻觀測段的空白，為研究太陽、行星及太陽系外天體提供可能，也將為研究恒星起源和星云演化提供重要資料。

本版采寫/新京報記者 倪偉

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。